211service.com
Varmebestandige keramiske dele kan nu udskrives i 3D
Løftet om additiv fremstilling eller 3-D-print – hurtigere og billigere fremstilling af mere tilpassede dele – er begrænset af paletten af printbare materialer, som indtil nu primært har omfattet polymerer og nogle metaller. Nu kan vi tilføje keramik, en vigtig klasse af materialer, hvis høje styrke og modstandsdygtighed over for varme, kemiske nedbrydning og friktion gør dem attraktive til brug i militæret og rumfartsindustrien til alt fra udvendige flydele til små komponenter til raketter.
Et keramisk skovlhjul i millimeterskala, en roterende mekanisk komponent, der bruges til at overføre bevægelse af en væske i pumper og turbiner.
Takket være et materialevidenskabeligt trick demonstreret af forskere på HRL Laboratorier , kan ingeniører nu bruge additiv fremstilling til hurtigt at bygge tilpassede, indviklede keramiske dele, der udnytter alle disse attraktive egenskaber på én gang.
Det er udfordrende at lave keramik til holdbare dele, især dem med komplekse former. Materialerne er ikke kompatible med konventionelle fremstillingsteknikker som bearbejdning og støbning, og den typiske metode indebærer brug af varme til at konsolidere pulver og opbygge faste former. Denne tilgang, som også kan bruges i additiv fremstilling, er dog ikke særlig pålidelig og introducerer almindeligvis fejl, der kan føre til revner og brud.
En keramisk proptrækker, lidt over 20 mikrometer i længden, illustrerer den fine opløsning, der er mulig via stereolitografi 3-D-print.
Det kom forskerne ved HRL Labs uden om ved at udvikle en ny printbar harpiks lavet af såkaldte prækeramiske polymerer, som kan omdannes til keramik ved at opvarme dem ved høje temperaturer. De demonstrerede, at den nye harpiks er kompatibel med en populær additiv fremstillingsteknik kaldet stereolitografi, hvor en laserstråle bruges til at bygge strukturer lag for lag ud fra en flydende polymer. Forskerne viste også, at det fungerer med en specialiseret teknik, der anvender ultraviolet lys og mønstrede masker til at bygge komplekse 3D-strukturer som gitter, 100 til 1.000 gange så hurtigt som konventionel stereolitografi kan. Efter udskrivning opvarmede forskerne delene for at omdanne dem til keramik og demonstrerede deres imponerende mekaniske egenskaber.
Et buet keramisk gitter illustrerer evnen til at producere indviklede strukturer i ukonventionelle former.
To klasser af nyttige keramiske dele - store, meget lette gitterstrukturer, der kunne bruges i varmebestandige paneler og andre udvendige dele til fly og rumfartøjer, og små, indviklede dele til brug i elektromekaniske systemer eller i komponenter til jetmotorer og raketter - er nu printbare takket være den nye tilgang, siger HRL Labs seniorforsker Tobias Schaedler, der ledede forskningen.
En 3-D-printet forkant eller den del af et fly- eller rumfartøjsvinge, der først kommer i kontakt med luften. Flader af delen sandwich en gitter struktur.
Schaedler siger, at gruppen nu har midler fra DARPA, som også støttede denne forskning, til at bruge den nye teknik til at udvikle en keramisk aeroskal, i det væsentlige et skjold, der beskytter rumfartøjer eller hypersoniske fly mod varme, tryk og affald. Keramiske skum er attraktive til denne anvendelse på grund af deres termiske egenskaber, men deres dårlige mekaniske egenskaber gør dem stort set uegnede til brug i bærende strukturer, siger Stefanie Tompkins, direktør for DARPA's Defense Sciences Office. Keramiske gitterstrukturer skabt af HRL Labs er 10 gange stærkere end kommercielt tilgængelige skum.